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EP1839801A1 - Repairing method to restore components - Google Patents

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Publication number
EP1839801A1
EP1839801A1 EP06006791A EP06006791A EP1839801A1 EP 1839801 A1 EP1839801 A1 EP 1839801A1 EP 06006791 A EP06006791 A EP 06006791A EP 06006791 A EP06006791 A EP 06006791A EP 1839801 A1 EP1839801 A1 EP 1839801A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
opening
liquid jet
turbine blades
abrasive particles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06006791A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Dr. Bostanjoglo
Francis-Jurjen Dr. Ladru
Andreas Oppert
Helge Reymann
Adrian Wollnik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP06006791A priority Critical patent/EP1839801A1/en
Publication of EP1839801A1 publication Critical patent/EP1839801A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P6/00—Restoring or reconditioning objects
    • B23P6/002—Repairing turbine components, e.g. moving or stationary blades, rotors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/04—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass
    • B24C1/045—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for treating only selected parts of a surface, e.g. for carving stone or glass for cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B24C1/083—Deburring
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B24C1/086—Descaling; Removing coating films
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants
    • B24C3/32—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks
    • B24C3/325—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks for internal surfaces, e.g. of tubes
    • B24C3/327—Abrasive blasting machines or devices; Plants designed for abrasive blasting of particular work, e.g. the internal surfaces of cylinder blocks for internal surfaces, e.g. of tubes by an axially-moving flow of abrasive particles without passing a blast gun, impeller or the like along the internal surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B26F3/004—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor by means of a fluid jet
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P2700/00—Indexing scheme relating to the articles being treated, e.g. manufactured, repaired, assembled, connected or other operations covered in the subgroups
    • B23P2700/06—Cooling passages of turbine components, e.g. unblocking or preventing blocking of cooling passages of turbine components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/10—Manufacture by removing material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/30—Manufacture with deposition of material
    • F05D2230/31—Layer deposition
    • F05D2230/312—Layer deposition by plasma spraying
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    • F05D2230/00—Manufacture
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2300/00—Materials; Properties thereof
    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a repair method for repair of components, which have at least one opening and are provided with a coating in which the coating is completely removed from the component, a new coating is applied flat to the component, wherein the at least one opening or is partially closed, and the newly applied coating is removed locally in the region of the at least one opening.
  • Repair methods of this type are known and are used, for example, to repair turbine blades, which are used in particular in turbines or combustion chambers.
  • Such turbine blades are often provided with a corrosion protection layer to protect against corrosion and oxidation. This is essential for gas turbine blades because they are used in a temperature range above 600 ° C or even above 1000 ° C used.
  • Corresponding protective layers usually have the general composition MCrAlX, where M is iron, cobalt or nickel and X is selected from the group consisting of yttrium, scandium, lanthanum and rare earths.
  • Such alloys are in the EP 0 486 489 B1 .
  • These protective layers are applied, for example, to the body of a turbine blade made of a nickel or cobalt base superalloy.
  • a ceramic thermal barrier coating is additionally present on the anti-corrosion layer.
  • Example of complex layer structures are approximately in the DE 600 02 101 T2 and DE 699 05 910 T2 disclosed.
  • the component is ready for recoating, it is applied by a suitable method.
  • Appropriate techniques are in the US-A-3 413 136 . 4 055 705 and 4 321 311 described. When re-coating any existing openings of the component are completely or partially closed and must therefore be fully reopened.
  • the invention is therefore based on the object, a repair method of the type mentioned in such a way that the local removal of the newly used coating succeeds quickly and efficiently and without damaging the component.
  • the object is achieved in that a focused liquid jet is used to the new Apply applied coating locally in the area of the opening.
  • the use of the focused liquid jet not only accelerates the re-opening, but also makes it possible to avoid damage to the other coating and the component. It is an extremely precise machining according to the contour of the opening possible.
  • the contour of the opening can be traversed, for example, in several cyclic passes from the inside to the outside or from outside to inside with the liquid jet, in which case the diameter of the liquid jet should be smaller than the opening.
  • the liquid jet consists essentially of water. This is advantageous because water is very cheap and neither toxic nor flammable.
  • the liquid jet may contain abrasive particles.
  • the addition of abrasive particles causes the coating in the region of the at least one opening can be removed faster. As a result, the consumption of liquid is lower.
  • abrasive particles consist of, or contain, garnet, corundum or zirconium corundum and / or have a mean diameter of 44-300 ⁇ m (325-45 mesh). In this case, a high removal rate is achieved.
  • the liquid jet has a pressure between 200 and 600 bar.
  • the at least one opening can be reopened quickly and at the same time there is no risk that the component is damaged.
  • the liquid jet can be discharged from a nozzle, which preferably has a diameter of 0.05-0.5 mm. In this way, a liquid jet is obtained, which is suitable for precise processing.
  • the nozzle When the nozzle is placed at a distance of 1 to 6 cm from the component, the liquid jet has a high focus when it hits the component.
  • the inventive method is particularly suitable for metallic or ceramic coatings. These can be removed quickly and efficiently with the aid of the focused liquid jet from the at least one opening.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e. grains which run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • columnar i.e. grains which run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD)
  • stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • the blade 120, 130 is hollow and has a plurality of cooling air holes 418, via which cooling air is guided into the interior of the blade 120, 130 during operation.
  • the structure of the blades 120, 130 clearly visible. Thereafter, the blades 120, 130 on a base body 1, which is provided with a coating 2, 3.
  • This coating is formed by a metallic primer layer 2 and a ceramic layer 3 applied thereto. If this coating 2, 3 wears out during operation due to oxidation and / or corrosion or damage due to corrosion or mechanical damage occurs, it makes economic sense to renew the coating 2, 3.
  • the existing coating is first of all removed from the turbine blade 120, 130, wherein in an individual case it may be sufficient to remove only the outer ceramic layer 3. Subsequently, a new coating or ceramic layer 3 is applied over the entire surface of the turbine blade 120, 130.
  • cooling-air bores 418 are partially closed by a coat-down, which is denoted by 4 in FIG.
  • this layer precipitate 4 is removed locally and selectively in the region of the cooling air holes 418 with the aid of a liquid jet 6 in order to completely expose the cooling air bore 418 again.
  • the liquid jet 6 is directed here by a nozzle 5 against the cooling air bore 418.
  • the pressure, the shape, the composition and the diameter of the jet 6, and the distance and angle between the nozzle 5, which emits him and the component according to the requirements of the component and the coating 2, 3 are adjusted.
  • the nozzle 5 may preferably have a diameter of 0.05-0.5 mm and be arranged for example at a distance of 1-6 cm to the component.
  • the liquid jet 6 is guided over the opening in a plurality of cyclic passages which are aligned with the contour of the cooling air bore 418 and carries the coating 3 locally in this area.
  • the movement pattern for the liquid jet 6 is shown by way of example in FIG. 4, the guide lines 7, 8 describing the path of the liquid jet 6.
  • the liquid jet 6 can be moved from outside to inside or from inside to outside from guide line to guide line.
  • the layer removal is entrained by the liquid jet 6 and bound directly, so that no dusts.
  • the coating 3 is removed only in the area of the opening and neither the component nor the coating 2, 3 applied thereon outside the opening area are damaged.
  • FIG. 5 shows such a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example. Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 6 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 107 arranged around a rotation axis 102 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then hollow, for example, and still have cooling air bores (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAIX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic stones).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal barrier coating consists for example of ZrO 2 Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. Finally, a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155 takes place.

Landscapes

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Abstract

Method for repairing turbine blades that have a film cooling opening (418) or cylindrical opening and are intended with a coating, comprises completely removing the coating from the turbine blades and applying a new ceramic or metallic laminar coating (2, 3) on the turbine blades. The opening is partially or entirely locked. The newly applied coating is removed locally in the area of the opening by focused liquid jet (6) having water and an abrasive particle. The abrasive particles have an average diameter of 44-300 mu m (325-45 Mesh), and a feed rate of 5-250 g/hour in the liquid jet. Method for repairing turbine blades that have a film cooling opening (418) or cylindrical opening and are intended with a coating, comprises completely removing the coating from the turbine blades and applying a new ceramic or metallic laminar coating (2, 3) on the turbine blades. The opening is partially or entirely locked. The newly applied coating is removed locally in the area of the opening by focused liquid jet (6) having water and an abrasive particle. The abrasive particles have an average diameter of 44-300 mu m (325-45 Mesh), and a feed rate of 5-250 g/hour in the liquid jet. The focused liquid jet has a pressure of 200-600 bar. The liquid jet is delivered by a nozzle (5), which has a diameter of 0.05-0.5 mm and/or arranged in an interval of 1-6 cm to the component. The contour of the opening is removed with the fluid jet in several cyclic passages.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren zur Instandsetzung von Bauteilen, die zumindest eine Öffnung aufweisen und mit einer Beschichtung versehen sind, bei dem die Beschichtung vollständig von dem Bauteil entfernt wird, eine neue Beschichtung flächig auf das Bauteil aufgebracht wird, wobei die zumindest eine Öffnung ganz oder teilweise verschlossen wird, und die,neu aufgebrachte Beschichtung lokal im Bereich der zumindest eine Öffnung entfernt wird.The invention relates to a repair method for repair of components, which have at least one opening and are provided with a coating in which the coating is completely removed from the component, a new coating is applied flat to the component, wherein the at least one opening or is partially closed, and the newly applied coating is removed locally in the region of the at least one opening.

Reparaturverfahren dieser Art sind bekannt und werden beispielsweise eingesetzt, um Turbinenschaufeln, die insbesondere in Turbinen oder Brennkammern eingesetzt werden, zu reparieren. Solche Turbinenschaufeln sind zum Schutz gegen Korrosion und Oxidation häufig mit einer Korrosionsschutzschicht versehen. Dies ist für Gasturbinenschaufeln unerlässlich, da sie in einem Temperaturbereich oberhalb 600°C oder sogar oberhalb von 1000°C zum Einsatz kommen.Repair methods of this type are known and are used, for example, to repair turbine blades, which are used in particular in turbines or combustion chambers. Such turbine blades are often provided with a corrosion protection layer to protect against corrosion and oxidation. This is essential for gas turbine blades because they are used in a temperature range above 600 ° C or even above 1000 ° C used.

Entsprechende Schutzschichten weisen meist die allgemeine Zusammensetzung MCrAlX auf, wobei M für Eisen, Kobalt oder Nickel steht und X aus der Gruppe Yttrium, Scandium, Lanthan und Seltene Erden ausgewählt ist. Solche Legierungen sind in der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 und EP 1 306 454 A1 beschrieben. Diese Schutzschichten werden beispielsweise auf den Grundkörper einer Turbinenschaufel, die aus einer Nickel- oder Kobalt-Basis-Superlegierung besteht, aufgebracht.Corresponding protective layers usually have the general composition MCrAlX, where M is iron, cobalt or nickel and X is selected from the group consisting of yttrium, scandium, lanthanum and rare earths. Such alloys are in the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 and EP 1 306 454 A1 described. These protective layers are applied, for example, to the body of a turbine blade made of a nickel or cobalt base superalloy.

In einigen Fällen ist zusätzlich auf der Korrosionsschutzschicht eine keramische Wärmdämmschicht vorhanden. Beispiel für komplexe Schichtstrukturen sind etwa in den DE 600 02 101 T2 und DE 699 05 910 T2 offenbart.In some cases, a ceramic thermal barrier coating is additionally present on the anti-corrosion layer. Example of complex layer structures are approximately in the DE 600 02 101 T2 and DE 699 05 910 T2 disclosed.

Während des Betriebs nutzt sich die Beschichtung der Turbinenschaufeln einerseits durch Oxidation und Korrosion ab, und kommt es andererseits zu Erosion und mechanischen Beschädigungen. Um eine längere Lebensdauer der Turbinenschaufeln zu gewährleisten ist es sinnvoll, nach einer gewissen Betriebszeit, die Beschichtung zu erneuern. Dieses "Refurbishment" erfordert zunächst die sorgfältige, vollständige Entfernung der alten Beschichtung von der Turbinenschaufel, was beispielsweise mittels eines Wasserstrahls erfolgen kann, wie dies aus der DE 690 20 507 T2 bekannt ist.During operation, the coating of the turbine blades wear off on the one hand by oxidation and corrosion, and On the other hand, erosion and mechanical damage occur. In order to ensure a longer service life of the turbine blades, it makes sense to renew the coating after a certain period of operation. This "refurbishment" requires first the careful, complete removal of the old coating from the turbine blade, which can be done for example by means of a water jet, as shown in DE 690 20 507 T2 is known.

Ist das Bauteil bereit für die Neubeschichtung, wird diese nach einem geeigneten Verfahren aufgebracht. Entsprechende Techniken sind in den US-A-3 413 136 , 4 055 705 und 4 321 311 beschrieben. Bei der Neubeschichtung werden gegebenenfalls vorhandene Öffnungen des Bauteils ganz oder teilweise verschlossen und müssen daher wieder vollständig eröffnet werden.If the component is ready for recoating, it is applied by a suitable method. Appropriate techniques are in the US-A-3 413 136 . 4 055 705 and 4 321 311 described. When re-coating any existing openings of the component are completely or partially closed and must therefore be fully reopened.

In der US 6,004,620 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem Kühlluftbohrungen, die sich von der Innen- bis zur Außenseite einer Turbinenschaufel erstrecken, nach dem Beschichten der Außenseite der Turbinenschaufel wieder geöffnet werden. Dazu wird ein Flüssigkeitsstrahl von der Innenseite der Turbinenschaufel aus in die Kühlluftbohrungen geleitet, der dann die Beschichtung im Bohrbereich ganz oder teilweise abträgt. Nachteilig ist allerdings, dass es hierbei zu Abplatzungen der Beschichtung außerhalb des Bohrbereichs kommen kann, wodurch die Beschichtung erheblich beschädigt wird, was letztendlich zu einem Ausfall des Bauteils führen kann.In the US 6,004,620 For example, a method is described in which cooling air holes extending from the inside to the outside of a turbine blade are reopened after coating the outside of the turbine blade. For this purpose, a liquid jet is directed from the inside of the turbine blade into the cooling air holes, which then completely or partially removes the coating in the drilling area. The disadvantage, however, is that it can lead to flaking of the coating outside of the drilling area, whereby the coating is significantly damaged, which can ultimately lead to failure of the component.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Reparaturverfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass das lokale Entfernen der neu aufgebrauchten Beschichtung schnell und effizient und ohne Beschädigung des Bauteils gelingt.The invention is therefore based on the object, a repair method of the type mentioned in such a way that the local removal of the newly used coating succeeds quickly and efficiently and without damaging the component.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein fokussierter Flüssigkeitsstrahl verwendet wird, um die neu aufgebrachte Beschichtung lokal im Bereich der Öffnung zu entfernen.The object is achieved in that a focused liquid jet is used to the new Apply applied coating locally in the area of the opening.

Der Einsatz des fokussierten Flüssigkeitsstrahls beschleunigt nicht nur die Wiedereröffnung, sondern ermöglicht es auch, eine Beschädigung der sonstigen Beschichtung und des Bauteils zu vermeiden. Es ist eine extrem präzise Bearbeitung entsprechend der Kontur der Öffnung möglich. Dazu kann die Kontur der Öffnung beispielsweise in mehreren zyklischen Durchläufen von innen nach außen oder von außen nach innen mit dem Flüssigkeitsstrahl abgefahren werden, wobei hier der Durchmesser des Flüssigkeitsstrahls kleiner als die Öffnung sein sollte.The use of the focused liquid jet not only accelerates the re-opening, but also makes it possible to avoid damage to the other coating and the component. It is an extremely precise machining according to the contour of the opening possible. For this purpose, the contour of the opening can be traversed, for example, in several cyclic passes from the inside to the outside or from outside to inside with the liquid jet, in which case the diameter of the liquid jet should be smaller than the opening.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht der Flüssigkeitsstrahl im Wesentlichen aus Wasser. Dies ist vorteilhaft, da Wasser sehr günstig und weder toxisch noch brennbar ist.According to one embodiment of the invention, the liquid jet consists essentially of water. This is advantageous because water is very cheap and neither toxic nor flammable.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Flüssigkeitsstrahl abrasive Partikel enthalten. Der Zusatz von abrasiven Partikeln führt dazu, dass die Beschichtung im Bereich der zumindest einen Öffnung schneller abgetragen werden kann. Infolgedessen ist auch der Verbrauch von Flüssigkeit geringer.According to a further embodiment of the invention, the liquid jet may contain abrasive particles. The addition of abrasive particles causes the coating in the region of the at least one opening can be removed faster. As a result, the consumption of liquid is lower.

Versuche haben gezeigt, dass gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die abrasiven Partikel aus Granat, Korund oder Zirkonkorund bestehen oder es enthalten und/oder einen mittleren Durchmesser 44-300 µm (325-45 Mesh) haben. In diesem Fall wird eine hohe Abtraggeschwindigkeit erzielt.Experiments have shown that good results are obtained when the abrasive particles consist of, or contain, garnet, corundum or zirconium corundum and / or have a mean diameter of 44-300 μm (325-45 mesh). In this case, a high removal rate is achieved.

Wenn abrasive Partikel mit einer Förderrate von 5-250 g pro Stunde im Flüssigkeitsstrahl enthalten sind, kann die Entfernung der Beschichtung schnell und sicher erfolgen, ohne dass eine unnötig große Menge abrasiver Partikel verwendet werden muss.When abrasive particles are contained in the liquid jet at a rate of 5-250 g per hour, the removal of the coating can be done quickly and safely without having to use an unnecessarily large amount of abrasive particles.

In Ausbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Flüssigkeitsstrahl einen Druck zwischen 200 und 600 bar aufweist. Damit kann die zumindest eine Öffnung zügig wiedereröffnet werden und es besteht gleichzeitig nicht die Gefahr, dass das Bauteil beschädigt wird.In the embodiment of the method it is provided that the liquid jet has a pressure between 200 and 600 bar. Thus, the at least one opening can be reopened quickly and at the same time there is no risk that the component is damaged.

Der Flüssigkeitsstrahl kann von einer Düse abgegeben werde, die bevorzugt einen Durchmesser von 0.05-0.5 mm aufweist. Auf dieser Weise wird ein Flüssigkeitsstrahl erhalten, der zur präzisen Bearbeitung geeignet ist. Wenn die Düse mit einem Abstand von 1 bis 6 cm zu dem Bauteil angeordnet ist, weist der Flüssigkeitsstrahl eine hohe Fokussierung auf, wenn er auf das Bauteil trifft.The liquid jet can be discharged from a nozzle, which preferably has a diameter of 0.05-0.5 mm. In this way, a liquid jet is obtained, which is suitable for precise processing. When the nozzle is placed at a distance of 1 to 6 cm from the component, the liquid jet has a high focus when it hits the component.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders für metallische oder keramische Beschichtungen geeignet. Diese können schnell und effizient mit Hilfe des fokussierten Flüssigkeitsstrahls von der zumindest einen Öffnung entfernt werden.The inventive method is particularly suitable for metallic or ceramic coatings. These can be removed quickly and efficiently with the aid of the focused liquid jet from the at least one opening.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Figur 1
eine perspektivische Ansicht einer Laufschaufel oder Leitschaufel einer Strömungsmaschine,
Figur 2
einen Querschnitt durch die Laufschaufel oder Leitschaufel gemäß der Figur 1,
Figur 3
eine Vergrößerung des Ausschnitts x gemäß der Figur 3,
Figur 4
eine Aufsicht auf die Kühlluftbohrung 418 gemäß der Figur 3
Figur 5
einen Längsteilschnitt einer Gasturbine, und
Figur 6
eine Brennkammer einer Gasturbine.
The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. They show schematically:
FIG. 1
a perspective view of a blade or vane of a turbomachine,
FIG. 2
a cross section through the blade or vane according to the figure 1,
FIG. 3
an enlargement of the section x according to FIG. 3,
FIG. 4
a plan view of the cooling air hole 418 according to the figure 3
FIG. 5
a longitudinal partial section of a gas turbine, and
FIG. 6
a combustion chamber of a gas turbine.

Die Figur 1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.FIG. 1 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.

Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .The blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415. As a guide blade 130, the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
The blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.

Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.The blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.In conventional blades 120, 130, for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung.Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.

Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.The blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.

Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.The production of such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.

Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e. grains which run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal. In these processes, it is necessary to avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).The term generally refers to directionally solidified microstructures, which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.Such methods are known from U.S. Patent 6,024,792 and the EP 0 892 090 A1 known; these writings are part of the revelation regarding the solidification process.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).Likewise, the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)). Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
The density is preferably 95% of the theoretical density.
A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost layer).

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. By means of suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.
Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.

Wie in der Figur 2 gezeigt ist, ist die Schaufel 120, 130 hohl ausgeführt und weist eine Vielzahl von Kühlluftbohrungen 418 auf, über welche im Betrieb Kühlluft in das Innere der Schaufel 120, 130 geführt wird.As shown in Figure 2, the blade 120, 130 is hollow and has a plurality of cooling air holes 418, via which cooling air is guided into the interior of the blade 120, 130 during operation.

In dem Ausschnitt der Figur 3 ist der Aufbau der Schaufeln 120, 130 gut erkennbar. Danach weisen die Schaufeln 120, 130 einen Grundkörper 1 auf, der mit einer Beschichtung 2, 3 versehen ist. Diese Beschichtung wird von einer metallischen Grundierungsschicht 2 und einer darauf aufgebrachten keramischen Schicht 3 gebildet. Wenn sich diese Beschichtung 2, 3 während des Betriebs aufgrund von Oxidation und/oder Korrosion abnutzt oder Beschädigungen aufgrund von Korrosion bzw. mechanischen Beschädigungen auftreten, ist es wirtschaftlich sinnvoll, die Beschichtung 2, 3 zu erneuern. Hierzu wird zunächst die bestehende Beschichtung vollflächig von der Turbinenschaufel 120, 130 entfernt, wobei es im Einzelfall ausreichend sein kann, nur die äußere keramische Schicht 3 zu entfernen. Im Anschluss daran wird eine neue Beschichtung bzw. Keramikschicht 3 vollflächig auf die Turbinenschaufel 120, 130 aufgebracht. Hierbei werden die Kühlluftbohrungen 418 teilweise durch einen Schichtniederschlag (Coat-Down), der in der Figur 3 mit 4 bezeichnet ist, verschlossen. Im Anschluss an den Beschichtungsvorgang wird dieser Schichtniederschlag 4 erfindungsgemäß mit Hilfe eines Flüssigkeitsstrahls 6 lokal und gezielt im Bereich der Kühlluftbohrungen 418 entfernt, um die Kühlluftbohrung 418 wieder vollständig freizulegen.In the section of Figure 3, the structure of the blades 120, 130 clearly visible. Thereafter, the blades 120, 130 on a base body 1, which is provided with a coating 2, 3. This coating is formed by a metallic primer layer 2 and a ceramic layer 3 applied thereto. If this coating 2, 3 wears out during operation due to oxidation and / or corrosion or damage due to corrosion or mechanical damage occurs, it makes economic sense to renew the coating 2, 3. For this purpose, the existing coating is first of all removed from the turbine blade 120, 130, wherein in an individual case it may be sufficient to remove only the outer ceramic layer 3. Subsequently, a new coating or ceramic layer 3 is applied over the entire surface of the turbine blade 120, 130. In this case, the cooling-air bores 418 are partially closed by a coat-down, which is denoted by 4 in FIG. Following the coating process, this layer precipitate 4 is removed locally and selectively in the region of the cooling air holes 418 with the aid of a liquid jet 6 in order to completely expose the cooling air bore 418 again.

Der Flüssigkeitsstrahl 6 wird hier von einer Düse 5 gegen die Kühlluftbohrung 418 gerichtet. Dabei können der Druck, die Form, die Zusammensetzung und der Durchmesser des Strahls 6, sowie der Abstand und Winkel zwischen der Düse 5, die ihn abgibt und dem Bauteil entsprechend den Anforderungen des Bauteils und der Beschichtung 2, 3 angepasst werden. Die Düse 5 kann bevorzugt einen Durchmesser von 0,05-0,5 mm aufweisen und beispielsweise in einem Abstand von 1-6 cm zu dem Bauteil angeordnet sein. Bei der Wahl der oben genannten Parameter kann auch Größe und Form der Öffnungen berücksichtigt werden.The liquid jet 6 is directed here by a nozzle 5 against the cooling air bore 418. In this case, the pressure, the shape, the composition and the diameter of the jet 6, and the distance and angle between the nozzle 5, which emits him and the component according to the requirements of the component and the coating 2, 3 are adjusted. The nozzle 5 may preferably have a diameter of 0.05-0.5 mm and be arranged for example at a distance of 1-6 cm to the component. When selecting the parameters mentioned above, the size and shape of the openings can also be taken into account.

Der Flüssigkeitsstrahl 6 wird in mehreren zyklischen Durchläufen, die an der Kontur der Kühlluftbohrung 418 ausgerichtet sind, über die Öffnung geführt und trägt die Beschichtung 3 lokal in diesem Bereich ab. Das Bewegungsmuster für den Flüssigkeitsstrahl 6 ist beispielhaft in Figur 4 gezeigt, wobei die Führungslinien 7, 8 den Weg des Flüssigkeitsstrahls 6 beschreiben. Der Flüssigkeitsstrahl 6 kann von außen nach innen oder von innen nach außen von Führungslinie zu Führungslinie bewegt werden. Hierbei wird der Schichtabtrag von dem Flüssigkeitsstrahl 6 mitgerissen und direkt gebunden, so dass keine Stäube entstehen. Die Beschichtung 3 wird nur im Bereich der Öffnung entfernt und weder das Bauteil noch die darauf angebrachte Beschichtung 2, 3 außerhalb des Öffnungsbereiches nehmen Schaden.The liquid jet 6 is guided over the opening in a plurality of cyclic passages which are aligned with the contour of the cooling air bore 418 and carries the coating 3 locally in this area. The movement pattern for the liquid jet 6 is shown by way of example in FIG. 4, the guide lines 7, 8 describing the path of the liquid jet 6. The liquid jet 6 can be moved from outside to inside or from inside to outside from guide line to guide line. Here, the layer removal is entrained by the liquid jet 6 and bound directly, so that no dusts. The coating 3 is removed only in the area of the opening and neither the component nor the coating 2, 3 applied thereon outside the opening area are damaged.

Lauf- und Leitschaufeln 120, 130 der oben beschriebenen Art werden in Gasturbinen verwendet. Die Figur 5 zeigt eine solche Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Reparaturverfahren können die Schaufeln 120, 130 im Rahmen der Wiederaufarbeitung instandgesetzt werden.Runners and vanes 120, 130 of the type described above are used in gas turbines. FIG. 5 shows such a gas turbine 100 in a longitudinal partial section. With the aid of the repair method according to the invention, the blades 120, 130 can be repaired as part of the reprocessing.

Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.The gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
Along the rotor 103 follow one another an intake housing 104, a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th

Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.

Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).The guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).

Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.During operation of the gas turbine 100, air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104. The compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel. The mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110. From there, the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120. On the rotor blades 120, the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.

Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.The components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100. The guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.

Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
Likewise, substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).

Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.As the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.

Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.

Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.The vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot. The vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

Die Figur 6 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens können die Hitzeschutzelemente 155, = die Kühlluftbohrungen aufweisen können, im Rahmen der Wiederaufarbeitung instandgesetzt werden.FIG. 6 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine. With the help of the repair method according to the invention, the heat protection elements 155, = can have the cooling air holes, be repaired in the context of reprocessing.

Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.The combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 107 arranged around a rotation axis 102 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156. For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.To achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C. In order to allow a comparatively long service life even with these, for the materials unfavorable operating parameters the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.

Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühlluftbohrungen (nicht dargestellt) auf.Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system. The heat shield elements 155 are then hollow, for example, and still have cooling air bores (not shown) which open into the combustion chamber space 154.

Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAIX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAIX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic stones).

Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.These protective layers may be similar to the turbine blades, so for example MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf). Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 . EP 0 786 017 B1 . EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 which are to be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.

Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2 Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.On the MCrAlX may still be present, for example, a ceramic thermal barrier coating and consists for example of ZrO 2 Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
By means of suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.

Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Zuletzt erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. Finally, a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155 takes place.

Claims (13)

Reparaturverfahren zur Instandsetzung von Bauteilen, die zumindest eine Öffnung (418) aufweisen und mit einer Beschichtung versehen sind,
bei dem die Beschichtung vollständig von dem Bauteil entfernt wird,
eine neue Beschichtung (2, 3) flächig auf das Bauteil aufgebracht wird,
wobei die zumindest eine Öffnung (418) ganz oder teilweise verschlossen wird, und
die neu aufgebrachte Beschichtung (2, 3) lokal im Bereich der zumindest einen Öffnung (418) entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein fokussierter Flüssigkeitsstrahl (6) verwendet wird, um die neu aufgebrachte Beschichtung (2, 3) lokal im Bereich der Öffnung (418) zu entfernen.Repair method for repairing components which have at least one opening (418) and are provided with a coating,
in which the coating is completely removed from the component,
a new coating (2, 3) is applied flat to the component,
wherein the at least one opening (418) is completely or partially closed, and
the newly applied coating (2, 3) is removed locally in the region of the at least one opening (418),
characterized in that
a focused liquid jet (6) is used to remove the newly applied coating (2, 3) locally in the region of the opening (418). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitsstrahl (6) im Wesentlichen aus Wasser besteht.Method according to claim 1,
characterized in that
the liquid jet (6) consists essentially of water. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitsstrahl (6) abrasive Partikel enthält.Method according to one of claims 1 or 2,
characterized in that
the liquid jet (6) contains abrasive particles. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die abrasiven Partikel aus Granat, Korund oder Zirkonkorund bestehen oder es enthalten.Method according to claim 3,
characterized in that
the abrasive particles consist of or contain garnet, corundum or zirconium corundum. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die abrasiven Partikel einen mittleren Durchmesser von 44-300 µm (325-45 Mesh) haben.Method according to one of claims 3 or 4,
characterized in that
the abrasive particles have a mean diameter of 44-300 μm (325-45 mesh). Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die abrasiven Partikel mit einer Förderrate von 5-250 g pro Stunde im Flüssigkeitsstrahl (6) enthalten sind.Method according to one of claims 3 to 5,
characterized in that
the abrasive particles are contained in the liquid jet (6) at a delivery rate of 5-250 g per hour. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitsstrahl (6) einen Druck zwischen 200 bis 600 bar hat.Method according to one of claims 1 to 6,
characterized in that
the liquid jet (6) has a pressure between 200 and 600 bar. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssigkeitsstrahl (6) von einer Düse (5) abgegeben wird, die einen Durchmesser von 0.05 bis 0.5 mm aufweist und/oder in einem Abstand von 1 bis 6 cm zum Bauteil angeordnet ist.Method according to one of claims 1 to 7,
characterized in that
the liquid jet (6) is discharged from a nozzle (5) which has a diameter of 0.05 to 0.5 mm and / or is arranged at a distance of 1 to 6 cm from the component. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bauteile Turbinenschaufeln (120, 130) sind.Method according to one of claims 1 to 8,
characterized in that
the components are turbine blades (120, 130). Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Öffnung eine Filmkühlbohrung (418) oder eine zylindrische Bohrung ist.Method according to claim 9,
characterized in that
the at least one opening is a film cooling bore (418) or a cylindrical bore. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet dass
die neu aufgebrachte Beschichtung (2, 3) metallisch oder keramisch ist.Method according to one of claims 1 to 10,
characterized in that
the newly applied coating (2, 3) is metallic or ceramic. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontur der zumindest einen Öffnung (418) mit dem Flüssigkeitsstrahl (6) abgefahren wird.Method according to one of claims 1 to 11,
characterized in that
the contour of the at least one opening (418) with the liquid jet (6) is traversed. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zumindest eine Öffnung (418) in mehreren zyklischen Durchläufen abgefahren wird.Method according to claim 12,
characterized in that
the at least one opening (418) is traversed in several cyclic passes.
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